Modellierung der atmosphärischen Ausbreitung bei Unfallsituationen

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1 6 Strahlen- und Umweltschutz 6.3 ierung der atmosphärischen Ausbreitung bei Unfallsituationen Dr. Reinhard Martens Nach einer Freisetzung radioaktiver Stoffe in die Atmosphäre infolge eines Unfalls in einer kerntechnischen Anlage oder eines Transportunfalls ist eine möglichst schnelle und genaue Prognose über die atmosphärische Ausbreitung der freigesetzten Radionuklide unabdingbar für die Planung von Maßnahmen des Katastrophenschutzes. Auch im Zusammenhang mit sogenannten»accident Management«-Maßnahmen in Kernkraftwerken während Stör- und Unfällen sind Ausbreitungsprognosen nützlich, beispielsweise um die Zeitpunkte zu identifizieren, zu denen eine bewusst eingeleitete Freisetzung aus der Anlage (z. B. durch Druckentlastung des Sicherheitsbehälters) zu möglichst geringen Strahlenexpositionen in der Umgebung führen. Die GRS hat bereits in den 90er-Jahren zwei ketten zur Diagnose und Prognose der Ausbreitung und Ablagerung luftgetragener radioaktiver Stoffe in einem Entfernungsbereich von bis zu etwa 30 km entwickelt. Dieses sogenannte mesoskalige system wurde erfolgreich zur Nachrechnung meteorologischer Messkampagnen und von Ausbreitungsexperimenten eingesetzt. Die beiden ketten in dem system konnten mit den numerischen Wettervorhersagedaten des bis Ende 1999 operationellen Deutschlandmodells (DM) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) angetrieben werden. Dadurch war es möglich, die Ausbreitung und Ablagerung von radioaktiven Stoffen über den mehrere Tage umfassenden Prognosezeitraum des Wettervorhersagemodells realistisch zu ermitteln. Nach Inbetriebnahme eines neuen, verbesserten Vorhersagemodells beim DWD wurden die ketten im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft geförderten Forschungsvorhabens aktualisiert, weiter optimiert und validiert. 107

2 Eingabedaten Meteorologische Messdaten Wettervorhersagedaten z.b. vom DWD Radionuklidemission Strömungs- und Turbulenzmodelle Windfeldmodell Turbulenzmodell Windfeld- und Turbulenzmodell MCF VDI FOOT3DK Diagnostisches Grenzschichtmodell Prognostisches Ausbreitungsmodelle RIMPUFF Gauß-Puff- TRADI Eulersches Gittermodell LASAT Partikelmodell Ausgabedaten Räumliche Verteilungen von Konzentrationen und Ablagerungen Windfeld-Daten Mesoskaliges modellsystem Turbulenz-Daten Bild 67 Verknüpfungsmöglichkeiten zwischen einzelnen Komponenten des systems 108

3 Das mesoskalige system der GRS Bestandteile des systems. Das mesoskalige system der GRS besteht aus einer diagnostischen und einer prognostischen kette. Als meteorologische Eingangsdaten für das system können entweder Messdaten etwa von der meteorologischen Instrumentierung eines Kernkraftwerks oder die Ergebnisfelder numerischer Wettervorhersagemodelle genutzt werden. Das system enthält verschiedene Strömungsmodelle zur Beschreibung des Windfeldes sowie mehrere nachgeschaltete alternative Ausbreitungsmodelle, mit denen entlang des Transportweges die durch turbulente Bewegungen in der Atmosphäre verursachte Schadstoffverdünnung und die Ablagerung der Stoffe simuliert werden (s. Bild 67»Mesoskaliges modellsystem«). Diagnostische kette. Bei der Berechnung des Strömungsfelds mit einem einfachen diagnostischen werden dreidimensionale Windfelder auf der Grundlage der für einige Positionen im Rechengebiet bereits bekannten (d. h. gemessenen oder vorgegebenen) Winddaten diagnostiziert. Erfolgt der Antrieb mit Winddaten aus einem Wettervorhersagemodell, sind mit diagnostischen en darüber hinaus auch Windfeldprognosen möglich. Die diagnostische GRS- kette arbeitet mit dem massenkonsistenten Strömungsmodell MCF (Mass Consistent Flow). Die Ergebniswindfelder erfüllen die Kontinuitätsgleichung (Massenerhaltung). Turbulenzfelder liefert dieser typ nicht, sondern werden über das Turbulenzmodell der VDI-Richtlinie 3783, Blatt 8 bereitgestellt. Prognostisches Strömungsmodell. Alternativ zur diagnostischen kette kann das Strömungsfeld auch mit einem physikalisch aufwändigeren prognostischen berechnet werden, das neben der Massenerhaltung auch die Impuls- und Energieerhaltung berücksichtigt. Weiter unterscheiden sich beide typen in der Berücksichtigung der unteren Begrenzung des Rechengebietes, die z. B. durch Erdboden, Wasserflächen, Bewuchs und Bebauung repräsentiert wird und je nach Landnutzung sehr heterogen sein kann. So wird der in prognostischen Strömungsmodellen als untere Randbedingung eingehende thermische Einfluss heterogener Oberflächen auf die bodennahe Strömung und Turbulenz bei diagnostischen en nicht berücksichtigt. Damit lassen sich nur mit prognostischen en thermisch induzierte Strömungsmuster, wie z. B. die bei Sonneneinstrahlung entstehenden Thermiken, realitätsnah simulieren. Neben dem mittleren Windfeld liefert dieser typ auch Turbulenzgrößen (z. B. Diffusionskoeffizienten) und erlaubt die Berechnung der zukünftigen Entwicklung (Prognose) der Wind- und Turbulenzfelder. Die prognostische kette der GRS verwendet zur Strömungsfeldberechnung das nicht-hydrostatische FOOT3DK (Flow Over Orographically Structured Terrain, 3-dimensionale Version der Universität zu Köln). e zur Diagnose der Ausbreitung. Für die den Strömungsfeldberechnungen nachgeschalteten Ausbreitungsrechnungen stehen ebenfalls unterschiedliche Ausbreitungsmodelle zur Verfügung, wie z. B. das einfache Gauß-Puff- RIMPUFF, das Euler- TRADI oder das Partikelmodell LASAT in der GRS-Version. In der GRS werden für Ausbreitungsrechnungen vorzugsweise die beiden ketten FOOT3DK LASAT und MCF LASAT eingesetzt. 109

4 antrieb LM-Felder auf horizontalem 7 km-raster Schnittstellenmodul LM Strömungsmodell LM2MCF LMNES Ausgabe auf 7 km-raster 3-dim. Windfelder auf 7 km-raster 3-dim. Wind- und Turbulenzfelder auf 7 km-raster Berechnung Strömungsfeld MCF Diagnostisches mit VDI Grenzschichtmodell 2-dim. Turbulenz auf 1 km-raster FOOT3DK Prognostisches Boden-Vegetationsmodell Ergebnisfelder = Eingabe für Ausbreitungsrechnungen MCF-Windfelder auf 1 km-raster, 2-dim. Turbulenzfelder auf 1 km-raster FOOT3DK-Windund Turbulenzfelder auf 1 km-raster Berechnung Ausbreitung und Ablagerung LASAT Partikelmodell LASAT Partikelmodell Diagnostische kette Prognostische kette Optimierung des modellsystems Bild 68 Kopplung der beiden ketten zur Verbesserung der Genauigkeit diagnostisch berechneter Windfelder 110

5 Trotz der modellbedingten Schwächen diagnostischer Strömungsmodelle gegenüber den physikalisch aufwändigeren prognostischen en wird für zeitschnelle Ausbreitungsprognosen, z. B. in Entscheidungshilfesystemen, häufig dem Einsatz diagnostischer ketten der Vorzug gegeben, da die Verwendung prognostischer e auf Grund des großen Rechenzeit- und Ressourcenbedarfs immer noch nicht praktikabel erscheint. Anpassung und Optimierung des systems Neue Randbedingungen durch verbesserte Wettervorhersagemodelle. Mit der Inbetriebnahme neuer, verbesserter Wettervorhersagemodelle beim DWD haben sich die Randbedingungen für den übergeordneten Antrieb der beiden ketten geändert: Das neue Vorhersagemodell des DWD (Lokal-, LM) hat eine andere physik und eine feinere räumliche und zeitliche Auflösung als das bisher für den Antrieb der beiden ketten verwendete DM. Die GRS hat eine Anpassung der Schnittstellenmodule vorgenommen, mit denen die beiden ketten mit dem Lokal- verknüpft werden (s. Bild 68»optimierung des modellsystems«). Optimierung der Berechnung thermischer Einflüsse. Im Rahmen der Anpassungs- und Optimierungsarbeiten wurde auch geprüft, ob die Ergebnisse, die mit der prognostischen kette in Bezug auf den thermischen Einfluss heterogener Oberflächen auf die bodennahe Strömung und Turbulenz erzielt werden, zur Verbesserung der Genauigkeit der mit dem diagnostischen berechneten Windfelder genutzt werden können. Standardmäßig gehen bei der diagnostischen kette nur Turbulenzinformationen ein, die allein aus LM-Antrieb auf dem 7 km-raster abgeleitet werden. Der thermische Einfluss heterogener Oberflächen mit feinerer räumlicher Auflösung (z. B. 1 km-raster) kann bei den hier eingesetzten MCF-Simulationen nicht berücksichtigt werden. In der prognostischen kette werden dagegen solche feinauflösenden Strukturen der Oberfläche mit dem in FOOT3DK integrierten, hoch auflösenden Boden-Vegetationsmodul erfasst. Indem die dabei auf dem 1 km-raster gewonnenen Grenzschichtparameter zur Initialisierung von MCF verwendet werden, können auch mit MCF Rückwirkungen auf das bodennahe Windfeld berücksichtigt werden. Ein Beispiel für derartige Rückwirkungen sind etwa die lokalen thermisch induzierten, bodennahen Flüsse, die an einem Sommertag durch starke Sonneneinstrahlung entstehen. Die Effektivität dieses Verfahrens konnte am Beispiel entsprechender Tagesverläufe der meteorologischen Messkampagne LITFASS2003 (Lindenberg Inhomogeneous Terrain Fluxes between Atmosphere and Surface: a long term Study) nachgewiesen werden. Validierung der Berechnungen. Die Validierung der Arbeiten zur Anpassung und Optimierung beider ketten erfolgte auf der Grundlage der für LITFASS2003 vorliegenden Daten und Ergebnisfeldern des LM. Das ca. 60 km südöstlich von Berlin gelegene, etwa km² große Untersuchungsgebiet dieser Kampagne zeichnet sich durch eine hervorragende Datenverfügbarkeit für eine sommerliche Untersuchungsepisode aus. Das Gebiet weist bei schwacher orographischer Gliederung eine ausgeprägte Heterogenität in der Landnutzung mit dem Wechsel von Waldflächen, 111

6 Bodennutzung litfass2003 Bild 69 Bodennutzung im LITFASS2003-Gebiet Die starke Oberflächenheterogenität im km² großen Untersuchungsgebiets ist deutlich zu erkennen landwirtschaftlich genutzten Agrar- und Weideflächen sowie einzelnen Seen und dörflichen Siedlungen auf (s. Bild 69»bodennutzung litfass2003«). Die LITFASS-Episode 2003 umfasst sowohl windschwache, frühsommerliche Schönwetterlagen als auch ausgeprägte, windstarke Westwindlagen mit geringer Tageserwärmung und bietet somit bezüglich Intensität und Variationsbreite thermisch induzierter turbulenter Flüsse ein breites Spektrum unterschiedlicher Situationen. Zusammenfassung Erfolgreiche Aktualisierung des mesoskaligen systems. Das in der GRS betriebene mesoskalige system zur Diagnose und Prognose der Ausbreitung und Ablagerung luftgetragener radioaktiver Stoffe in gegliedertem Gelände wurde erfolgreich aktualisiert und an die aktuelle Struktur der numerischen Wettervorhersagemodellierung des DWD angepasst. Mit den Untersuchungen wurde die Prognosefähigkeit der beiden ketten und der hohe Grad an Realitätsnähe der damit berechneten Verteilungen der luftgetragenen Konzentration und Deposition nach Radionuklidfreisetzungen nicht nur erhalten, sondern verbessert. Das für die diagnostische kette entwickelte Verfahren zur Berücksichtigung des thermischen Einflusses der Oberflächeninhomogenität lässt zukünftige Einsatzmöglichkeiten diagnosebasierter systeme in integrierten Entscheidungshilfesystemen aus dem gesamten Umweltbereich (z. B. in RODOS/RESY) erwarten. 112

7 14 Anhang Abbildungen Kap. 6.3 bodennutzung litfass2003 Bild 69 Bodennutzung im LITFASS2003-Gebiet Die starke Oberflächenheterogenität im km² großen Untersuchungsgebiets ist deutlich zu erkennen Bild 69 Originalabbildung 233